Структурно-функциональные особенности групп микроорганизмов цикла азота в почвах с длительным применением минеральных удобрений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.03, кандидат наук Эмер Наталья Рудольфовна

• Эмер Наталья Рудольфовна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Эмер Наталья Рудольфовна

ВВЕДЕНИЕ

1. ЦИКЛ АЗОТА В ПОЧВЕ

1.1. Фиксация молекулярного азота

1.1.1. Микроорганизмы, осуществляющие процесс биологической фиксации азота

1.1.2. Ферментный комплекс - нитрогеназа

1.1.3. Факторы, влияющие на процесс фиксации азота

1.2. Аммонификация

1.2.1. Микроорганизмы, осуществляющие процесс аммонификации

1.2.2. Факторы, влияющие на процесс аммонификации

1.3. Нитрификация

1.3.1. Автотрофная нитрификация

1.3.2.Микроорганизмы, осуществляющие процесс автотрофной нитрификации

1.3.3. Гетеротрофная нитрификация

1.3.4. Микроорганизмы, осуществляющие процесс гетеротрофной нитрификации

1.3.5. Факторы, влияющие на процесс нитрификации

1.4. Анаэробное окисление аммония (анаммокс)

1.5. Денитрификация

1.5.1. Биологическая денитрификация

1.5.2. Микроорганизмы, осуществляющие процесс денитрификации

1.5.3. Факторы, влияющие на процесс биологической денитрификации

1.5.4. Ассимиляционная нитратредукция

1.5.5. Диссимиляционная редукция нитрата до аммония

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

2.1. Отбор проб и подготовка почвы

2.2. Постановка экспериментов

2.2.1. Определение актуальной и потенциальной активности азотфиксации

2.2.2. Определение числа КОЕ на безазотистой среде

2.2.3. Определение численности КОЕ аммонификаторов

2.2.4. Определение содержания аммонийного азота в почвах

2.2.5. Определение актуальной и потенциальной активности денитрификации

2.2.6. Определение дыхательной активности почв после внесения углерод-, азот- и фосфорсодержащих добавок

2.2.7. Оценка активности гидролиза флуоресцеин диацетата

2.2.8. Мультиреспираторный тест

2.2.9. ДГГЭ-анализ

2.2.10. Люминесцентная микроскопия стекол обрастания

2.2.11. Статистическая обработка результатов

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Динамика актуальной и потенциальной активности азотфиксации

3.2. Динамика численности азотфиксаторов

3.3. Динамика численности аммонификаторов

3.4. Динамика содержания аммонийного азота в почве

3.5. Динамика актуальной и потенциальной активности денитрификации

3.6. Активность дыхания почв, при внесении углерод-, азот- и фосфорсодержащих добавок

3.7. Активность гидролиза флуоресцеин диацетата в образцах почв залежи и поля

3.8. Мультиреспираторный тест.

102

3.9. Структурный анализ микробных сообществ на основе молекулярно-биологических методов (ДГГЭ - анализ)

3.10. Анализ количественных характеристик микробного роста

3.11. Оценка относительной роли грибов и бактерий в почвах залежи и

обрабатываемого поля

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Азот - основной биогенный элемент наряду с кислородом, водородом и углеродом. Азотсодержащие соединения составляют основу жизни на Земле. Круговорот азота является одним из наиболее сложных, многосоставных и, в то же время, все еще недостаточно изученных глобальных циклов элементов. К настоящему времени имеются четкие представления о протекании самых разнообразных процессов в отдельных звеньях цикла азота. Изучены химические, физические и биологические составляющие превращений данного элемента в биосфере. Выявлены наиболее важные, ключевые этапы цикла и участники, осуществляющие превращения азотсодержащих веществ на данных этапах, а также особенности протекания этих процессов в почве, воздухе, воде и живых организмах (Умаров и др., 2007).

В связи с нарастающими потребностями интенсификации сельскохозяйственного производства имеет место активное и масштабное воздействие антропогенных факторов, как на внутрипочвенную трансформацию соединений азота, так и на глобальный цикл этого элемента. Масштабность негативных, а порой даже разрушительных последствий в виде деградации почв, загрязнения и эвтрофикации водоемов, загрязнения атмосферы и истощения озонового слоя, привела к необходимости исследования процессов круговорота азота, связанных с превращениями азотсодержащих соединений в почве, миграцией их внутри почвы, в водные объекты и атмосферу (Иванов, 1969; Садыков, 1989; Коновалова, 1991; Мошкина, 2009; Шохова, 2011; Благодатский, 2012; Мамай, 2014).

Осознание ключевой роли живых организмов в процессах превращения веществ в почве привело к пониманию того, что без учета особенностей процессов развития и функционирования живых систем невозможно грамотно воздействовать на экосистему, извлекая при этом пользу с минимальным для нее уроном (Стахурлова и др., 2007; Верховцева и др., 2008; Пухова и др., 2011).

Наиболее многочисленными и активными участниками процессов превращения азота в почве являются микроорганизмы, поэтому большое внимание всегда уделялось изучению основных физиологических групп микроорганизмов, участвующих в цикле азота. Поскольку отдельные этапы цикла азота могут осуществлять только прокариотические организмы, в микробиологии и почвенной биологии многочисленные исследования посвящены изучению физиологических, биохимических и экологических особенностей прокариот. В настоящее время эти данные продолжают уточняться на генетическом и молекулярно-биологическом уровнях.

Своеобразным парадоксом настоящего времени является то, что глубина и обширность знаний о характере протекания химических и биологических процессов цикла азота сопровождается ошибками при прогнозировании результатов промышленных, сельскохозяйственных и других антропогенных воздействий на процессы круговорота азота в биосфере.

Знание физиологии, генетики, биохимии микроорганизмов должно сопровождаться пониманием основных законов функционирования не только отдельных видов микроорганизмов, но и микробных сообществ. Биология, постепенно превращаясь из описательной науки в точную, требует наличия теоретического фундамента, основу которого составляли бы общие законы, выраженные в количественной форме. Подобные законы уже давно установлены для популяций макроорганизмов. Математическая теория популяций уходит своими корнями в средневековье. В книге «Liber abaci», написанной в 1202 году, итальянский математик Леонардо из Пизы (Фибоначчи) приводит первую модель структуры популяции, а первые модели динамики численности относятся уже к 18-19 вв (модель Мальтуса и уравнение Ферхюльста - Пирла) (Гиммельфарб и др., 1974). Сложности в исследовании in situ существования микробных сообществ, трудности моделирования их взаимодействий в лабораторных условиях являются препятствием в разработке моделей существования и развития микробных

сообществ, которые обладали бы высокой прогностичной точностью. Большинство моделей, дающих количественные характеристики динамики роста и активности микроорганизмов, разработаны для одной или двух популяций, развивающихся в условиях проточного культивирования (Динамика... , 1975; Yanagita, 1990).

Для полной верификации любая модель должна опираться на обширный фактический материал, а это означает, что существует необходимость проведения исследований динамики численности и активности различных физиологических групп микроорганизмов, динамики субстратов, потребляемых ими, и продуктов обмена. Изучение динамики численности микроорганизмов требует сопряженного изучения динамики их активности, поскольку разнообразие генетически обусловленных возможностей микроорганизмов настолько обширно, что может обеспечить значительную пластичность метаболических процессов, которые они могут осуществлять. Даже в границах тех процессов превращения азотсодержащих веществ, которые протекают в почве, одни и те же прокариотические организмы способны осуществлять разнонаправленные процессы при изменении условий окружающей среды (Умаров и др., 2007). Так, например, виды рода Azotobacter, известные как активные азотфиксаторы, могут использовать соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты, хотя, при наличии в почве легкодоступного органического вещества и недостатке связанного азота Azotobacter фиксирует молекулярный азот. Другим примером являются представители рода Pseudomonas: в условиях, когда почва богата органическим веществом и содержит избыток связанного азота при недостатке кислорода, они могут осуществлять процесс денитрификации. При росте эти микроорганизмы используют белки и аминокислоты, являясь, таким образом, еще и аммонификаторами. Кроме того, виды рода Pseudomonas могут осуществлять процесс гетеротрофной нитрификации в почве. Способность к осуществлению нескольких физиологических функций в цикле азота пока еще недостаточно изучена и к

настоящему времени выявлена у представителей родов Bacillus, Arthrobacter, Micrococcus.

Кроме того, в почве происходит постоянная смена микробных сообществ. Ярким примером этого процесса являются изменения состава и структуры почвенных консорциумов микроорганизмов, сопутствующие развитию растительного покрова естественных экосистем, или изменению практики возделывания сельскохозяйственных почв в течение вегетационного периода (Sun et al., 2004).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-функциональные особенности групп микроорганизмов цикла азота в почвах с длительным применением минеральных удобрений»

Актуальность темы.

Тесная взаимосвязь различных этапов цикла азота является причиной необходимости проведения обширных сопряженных исследований для выявления структурных или функциональных особенностей физиологических групп микроорганизмов, участвующих в процессах цикла азота. Вместе с тем, требуется постановка длительных непрерывных экспериментов, направленных на изучение динамики процессов его составляющих, и микроорганизмов, участвующих в его осуществлении. Даже на сегодняшний день, комплексные исследования в этой области, учитывающие данные особенности, насчитывают лишь единичные работы. Еще реже встречаются исследования, направленные на поиск индикаторов состояния почвенной экосистемы, опирающихся на структурные или функциональные характеристики физиологических групп азотфиксаторов, денитрификаторов или аммонификаторов. Неоднократное упоминание в научной литературе о том, что процессы денитрификации и азотфиксации, являющиеся связующими звеньями внутрипочвенного и глобального циклов азота, могут служить интегральными показателями состояния почвенной экосистемы, не сопровождается, однако, подробными рекомендациями относительно использования этих показателей в природоохранной, сельскохозяйственной практике, а также в целях почвенной ремедиации и т.п.

Цель диссертационной работы - изучение структурно-функциональных особенностей микробных сообществ и отдельных физиологических групп микроорганизмов, участвующих в процессах трансформации азота в почвах залежи и интенсивно возделываемого поля.

Задачи исследования.

1. Провести оценку динамики потенциальной и актуальной активностей процессов, являющихся интегральными показателями функционирования микробного сообщества в почвах залежи и интенсивно обрабатываемого поля.

2. Провести сравнительный анализ структурных характеристик микробных сообществ почв залежи и поля на основании результатов молекулярно-биологических исследований (ДГГЭ-анализ).

3. Провести сопряженную оценку динамики потенциальной и актуальной активностей процессов азотфиксации, денитрификации и аммонификации с учетом динамики численности соответствующих групп микроорганизмов в почвах залежи и обрабатываемого поля.

4. Оценить резистентность почвенных систем залежи и поля по специфическим (азотфиксация, денитрификация) и интегральным (дыхание, гидролиз флуоресцеин диацетата) показателям функционирования микробных сообществ.

5. Оценить спектры трофических возможностей микробных сообществ почв залежи и поля по показателям мультиреспираторного теста.

Научная новизна.

Впервые для серых лесных почв умеренного климата, находящихся под влиянием интенсивной агротехнологии, изучена длительная ежесуточная динамика активности и численности физиологических групп микроорганизмов, участвующих в цикле азота, и проведен сравнительный анализ структурно-функциональных особенностей физиологических групп

азотфиксаторов, денитрификаторов и аммонификаторов, а также микробных сообществ в целом, для двух почвенных систем: интенсивно возделываемой с длительным применением минеральных удобрений и необрабатываемой -залежной. Сопряженное использование микробиологического, биохимического и структурного анализов в отношении динамических характеристик почвенного микробного сообщества и отдельных физиологических групп микроорганизмов - участников цикла азота в почве -выявило глубокие трансформации в почвенной системе, находящейся под воздействием интенсивной обработки, которые не выявляются даже при использовании современных эколого-микробиологических подходов к формализации данных лишь на основе оценки устойчивости экосистем.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты исследования углубляют представления о динамике процессов цикла азота в почвах типа серые лесные с различной историей развития почвенных экосистем; представляют наглядную информацию о структурно-функциональных особенностях как отдельных физиологических групп микроорганизмов, принимающих участие в трансформации азотсодержащих веществ почвы, так и микробного сообщества в целом; являются надежным основанием для выбора формальных индикаторных показателей, используемых для экологической оценки устойчивости почвенных систем.

Количественные оценки динамики активности процессов азотфиксации и денитрификации могут служить основой для разработки документации природоохранного характера и при оценке воздействия на окружающую среду в зоне распространения серых лесных почв.

Материалы исследования могут быть использованы при проведении почвенно-микробиологического мониторинга, при оценке почв в качестве источника углекислого газа и закиси азота, а также при моделировании климатических изменений в регионах умеренного климата с

распространением сырых лесных почв; при моделировании процессов цикла азота в ненарушенной и нарушенной почвенных экосистемах.

Обоснованность и достоверность результатов.

Все научные результаты и выводы получены с применением современных методик и оборудования и основываются на обширном экспериментальном материале. Достоверность результатов подтверждена статистическими методами обработки данных.

Личный вклад автора.

Автор лично принимал участие на всех этапах подготовки и проведения работы: выборе пробных площадей, отборе проб, проведении анализов, математической обработке и интерпретации результатов.

Апробация работы.

1. 2013 г. XX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Стендовый доклад.

2. 2013 г. «Биодиагностика состояния окружающей среды». Всероссийский конкурс программы «Лифт в будущее». Работа-призер.

3. 2014 г. XXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Устный доклад.

4. 2014 г. «Современные проблемы физиологии, экологии, и биотехнологии микроорганизмов». Всероссийский симпозиум с международным участием. Стендовый доклад.

5. 2015 г. XXII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Стендовый доклад.

6. 2015 г. 5-й Всероссийский симпозиум с международным участием «Автотрофные микроорганизмы». Стендовый доклад.

Публикации.

Эмер Н.Р. «Динамика аммонификаторов почвы в свете концепции волнообразного развития микробных сообществ» в сборнике «Ломоносов-2013: XX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Биология»; 8-13 апреля 2013 г., Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов» - М.: МАКС Пресс, 2013. - 368 с.

Эмер Н.Р. «Ежесуточная волнообразная динамика численности и активности азотфиксаторов как метод выявления различий в трансформации азота в почвах» в сборнике «Ломоносов-2014: XXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Биология» 7-11 апреля 2014 г.; Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов» - М.: Издательство Московского университета, 2014. - 380 с.

Зеленев В.В., Эмер Н.Р., Семенов А.М., Семенова Е.В. «К параметру определения микробной активности трансформации азота в почвенной экосистеме» в сборнике «Современные проблемы физиологии, экологии, и биотехнологии микроорганизмов: Всероссийский симпозиум с международным участием. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова. Биологический факультет. 24-27 декабря. 2014 г». - М.: МАКС Пресс, 2014. -280 с.

Эмер Н.Р. «Использование волнообразной динамики развития микроорганизмов для определения показателей устойчивости микробного сообщества почвенной экосистемы» в сборнике «Ломоносов-2015: XXII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Биология»; 13-17 апреля 2015 г., Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов» - М.: МАКС Пресс, 2015. - 420 с.

Эмер Н.Р. «Структурно-функциональные особенности сообществ микроорганизмов цикла азота в почвах, находящихся под влиянием

интенсивной агротехники» в сборнике «Автотрофные микроорганизмы: 5-й Всероссийский симпозиум с международным участием. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова. Биологический факультет. 21-24 декабря 2015 г. - М.: МАКС Пресс, 2015. - 192 с.

Семёнов А.М., Бубнов И.А., Эмер Н.Р. «Определение параметра здоровья почвы при использовании различных нарушающих воздействий» // Проблемы агрохимии и экологии. - 2013. - № 3. - С. 22 - 29.

Эмер Н.Р., Семенов А.М., Зеленев В.В., Зинякова Н.Б., Костина Н.В., Голиченков М.В. Ежесуточная динамика численности и активности азотфиксирующих бактерий на участках залежной и интенсивно возделываемой почвы // Почвоведение. - 2014. - № 8. - С. 963-970.

Emer N.R., Semenov A.M., Zelenev V.V., Zinyakova N.B., Kostina N.V., Golichenkov M.V. Daily dynamics of the number and activity of nitrogen-fixing bacteria in fallow land and intensely cultivated soils // Eurasian Soil Science. -2014. - Vol. 47, №. 8. - P. 801-808.

Эмер Н.Р., Костина Н.В., Голиченков М.В., Нетрусов А.И. Динамика активности денитрификации и аммонификации в залежной и интенсивно возделываемой серой лесной почве // Почвоведение. - 2016 (в печати).

1. ЦИКЛ АЗОТА В ПОЧВЕ

Почва - это один из самых важных компонентов биосферы Земли, функционирующий не только как источник питательных веществ, но также и как компонент, поддерживающий качество окружающей среды на местном, региональном и глобальном уровнях. Почва является основой существования естественных и сельскохозяйственных растительных сообществ. Современные оценки продуктивности почв свидетельствуют о деградации около 40 % мировых сельскохозяйственных земель в результате эрозии, загрязнения, создания пастбищ, засоления, опустынивания. Деградация и потеря продуктивных сельскохозяйственных земель - одна из наиболее серьезных проблем, которая по своей значимости находится на одном уровне с такими глобальными проблемами, как климатические изменения, истощение защитного озонового слоя и уменьшение биоразнообразия (Doran et al., 2000).

Азот является основным компонентом всех живых организмов. Этот многоликий элемент в сельскохозяйственных и природных экосистемах подвергается окислительным и восстановительным процессам, в результате которых образуются различные соединения, в которых его степень окисления варьирует от +5 (NO3-) до -3 (NH4+). Переход от одного валентного статуса к другому зависит, главным образом, от условий окружающей среды и биологически опосредован. Азот без труда распределяется с помощью водных и атмосферных транспортных путей. Трансформация и перетекание из одной формы в другую составляет основу цикла азота в почве (Hofman et al., 2004; Bothe et al., 2007).

Цикл азота заключает в себе различные накопительные «резервуары» и пять главных процессов, при помощи которых эти резервуары обмениваются азотом.

1.1. Фиксация молекулярного азота

Фиксация молекулярного азота - процесс, посредством которого атмосферный азот трансформируется в аммиак, благодаря чему был создан и ныне поддерживается азотный статус всех наземных и водных экосистем (Минеев и др., 2000; Hofman et al., 2004; Bothe et al., 2007).

1.1.1. Микроорганизмы, осуществляющие процесс биологической

фиксации азота

Представители животного и растительного мира не могут черпать азот непосредственно из атмосферы Земли. Такой способностью обладают только представители доменов Bacteria и Archaea. Приблизительно 175 Тг азота фиксируется ежегодно в наземных экосистемах азотфиксирующими прокариотическими микроорганизмами, в то время, как только около 10 Тг азота фиксируется посредством атмосферных химических процессов. Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами (Fisher, 1994; Zahran, 1999; Myrold, 2002; Orr et al., 2011). В современной научной литературе нет единого мнения относительно группирования азотфиксирующих микроорганизмов. Как правило, авторы подразделяют все многообразие диазотрофов на две (симбиотические и ассоциативные) или три (симбиотические, ассоциативные и

свободноживущие) группы (Умаров и др., 2007; Bothe et al., 2007).

Симбиотические азотфиксаторы

Наиболее изученными к настоящему времени являются симбиотические взаимодействия бактерий семейства Rhizobiaceae с растениями семейства Бобовые (Leguminosae), а особенно - с

представителями важных для сельского хозяйства культур - клевера, люцерны, бобов, гороха (Bothe et al., 2007).

В настоящее время указанная группа симбиотических диазотрофов включает виды родов Rhizobium (Frank, 1889), Bradirhizobium, Sinorhisobium (Chen et al., 1988)/Ensifer (Casida, 1982), Azorhizobium, Agrobacterium (Conn, 1942), Phyllobacterium (Fisher, 1994; The Rhizobiazeae..., 1998; Masson-Boivin et al., 2009). В 2006 г описан первый представитель нового рода Shinella в семействе Rhizobiaceae - Shinella granuli (Dong-Shan et al., 2006), а в 2013 г опубликовано сообщение о выделении из ризосферной почвы нута нового представителя азотфиксаторов Cicerobacter lividus, который наиболее схож с представителями рода Ensifer, однако, выделен в новый род Cicerobacter (Kathiravan et al., 2013). Кроме того, для устранения неопределенности в систематическом положении и номенклатуре некоторых представителей семейства Rhizobiazeae на основании результатов проведенного мультилокусного анализа последовательностей определенной группы генов «домашнего хозяйства» (housekeeping genes) было предложено выделить внутри семейства два новых рода Neorhizobium (Mousavi et al., 2014) и Pararhizobium (Mousavi et al., 2015).

К настоящему времени известен только один случай формирования ризобиями азотфиксирующего симбиоза с представителем не из семейства Бобовые, таковым является род Parasponia семейства Вязовые (Ulmaceae) (The Rhizobiaceae., 1998; Bothe et al., 2007).

Взаимодействие между двумя партнерами, осуществляющими симбиотическую фиксацию, инициируется молекулярным взаимовлиянием, которое активно изучается на протяжении многих лет. Флавоноиды или изофлавоноиды, секретируемые растением-хозяином, индуцируют у соответствующих бактерий экспрессию множества генов, участвующих в образовании корневых утолщений - «клубеньков». Такие гены носят название nod-генов. Продукты nod-генов - ферменты, участвующие в биосинтезе видоспецифичных липополисахаридов, называемых Nod-

факторами. Эти сигнальные молекулы, выделяемые бактериальными клетками, вызывают скручивание корневых волосков растения и деление клеток меристематической ткани, приводя к образованию корневых утолщений - «клубеньков». Инфекционный процесс прогрессируя, проявляется в корневом кортексе. Бактериальные клетки внедряются в клетки растения-хозяина, где продолжают делиться и дифференцируются физиологически и морфологически, в так называемые бактероиды, которые превращают атмосферный азот в аммиак (Fisher, 1994; Prell et al., 2006; Masson-Boivin et al., 2009).

Гены микроорганизмов, необходимые для участия в процессе симбиотической азотфиксации, включают гены, которые вовлечены в синтез Nod-факторов, развитие «клубеньков», синтез азотфиксирующего аппарата и метаболизм бактероидов. Известно также множество генов растений, экспрессия которых специфично индуцируется в тканях корня при взаимодействии с микроорганизмами-симбионтами. Таким образом, формирование эффективно функционирующих корневых «клубеньков» требует согласованной экспрессии как бактериальных, так и растительных генов. На ранних стадиях симбиоза это обеспечивается обменом высокоспецифичными химическими сигналами. На поздних стадиях экспрессия определенных бактериальных генов и морфогенез корневых утолщений координируется посредством изменения концентрации кислорода, по отношению к которому инфицирующие бактерии очень чувствительны. Комбинированный эффект специализированных растительных клеток, действующих как ограничитель диффузии кислорода, и поставщик леггемоглобина, который обратимо связывает кислород, приводит к значительному снижению концентрации кислорода внутри инфицированных тканей. В ответ на этот физиологический «переключатель» у микроорганизмов инициируется экспрессия генов азотфиксации (Fisher, 1994).

В настоящее время известны фотосинтезирующие представители группы Bradyrhizobium, которые используют независимую от Nod факторов стратегию вступления в симбиоз с некоторыми видами Aeschynomene (Giraud et al., 2004; Masson-Boivin et al., 2009).

В случае симбиоза с водными растениями бактериальные клетки прокладывают свой путь в ткани растения через межклеточные пространства боковых корней растения (Masson-Boivin et al., 2009).

Среди ризобий встречаются диазотрофы, которые обладают дополнительной метаболической активностью, например, метилотрофия (Methylobacterium nodulans) и фотосинтез (BTAi 1, представитель из группы Bradyrhizobium, относительно таксономического положения которого, однако, до сих пор нет единого мнения) (Giraud et al., 2004; Masson-Boivin et al., 2009).

Симбиоз между Azorhizobium caulinodans и его партнером -тропическим бобовым растением Sesbania rostrata уникален тем, что клубеньки возникают не только на корнях, но и на стеблях. Более того A. caulinodans способен расти в чистой культуре с молекулярным азотом в качестве единственного источника азота при относительно высоких концентрациях кислорода. Таким образом, Azorhizobium caulinodans объединяет в себе признаки свободноживущего и симбиотического диазотрофа (Fisher, 1994; Masson-Boivin et al., 2009).

Актиномицеты, как мицелиальные прокариоты, так же способны образовывать симбиозы с представителями высших растений, среди которых наиболее известен актиноризный симбиоз Frankia и ольхи. Растения, являющиеся симбиотическими партнерами Frankia, первыми колонизируют бедные или деградированные почвы и, таким образом, выполняют важную экологическую функцию в процессах лесовосстановления (Bothe et al., 2007).

Цианобактерии, несмотря на способность расти независимо, также вступают в симбиотические взаимодействия. Их партнерами могут выступать

лишайники, мхи, папоротники, голосеменные растения и представители единственного рода покрытосеменных растений Gunnera (Bothe et al., 2007).

Ассоциативные азотфиксаторы

Ассоциативные взаимоотношения микроорганизмов и растений имеют черты сходства с симбиотическим взаимодействием. Клетки микроорганизмов могут проникать в ткани растения, как в случае ассоциации Azospirillum - Digitaria, однако, формирования специализированных азотфиксирующих структур не происходит. В ассоциациях с корневыми системами некоторых трав обнаруживаются также Acetobacter, Azoarcus, Gluconacetobacter, Herbaspirillum. Единое мнение относительно пользы ассоциативных взаимоотношений для растения до настоящего времени отсутствует. Однако выявлены такие ассоциации, в которых растение получает до 60 % фиксированного микроорганизмом азота, например, при взаимодействии Gluconacetobacter diazotrophicus и Herbaspirillum spp. с сахарным тростником, а так же Azoarcus с рисом (Bothe et al., 2007; Tian et al., 2009). Кроме того, показано, что в случаях, когда Gluconacetobacter diazotrophicus колонизирует межклеточные пространства и проводящие ткани корневой системы и стебля сахарного тростника, то у растения изменяется экспрессия генов таким образом, что оно становится резистентным по отношению к фитопатогену Xantomonas albilineas (Arencibia et al., 2006; Eskin et al., 2014).

Использование бактерий-эндофитов является альтернативным способом борьбы с фитопатогенами и путем снижения количества используемых в агропромышленном производстве химикатов. G. diazotrophicus можно считать перспективным средством защиты сельскохозяйственных культур, поскольку он был выделен не только из тканей сахарного тростника, но и кукурузы (Zea mays), риса (Oryza sativa),

пшеницы (Triticum aestivum), рапса (Brassica napus), томата (Lycopersicon esculentum) и клевера (Trifolium repens) (Arencibia et al., 2006).

Свободноживущие азотфиксаторы

Свободноживущие диазотрофы вездесущи и разнообразны. Они не привносят в почву значительных количеств азота с точки зрения сельского хозяйства, однако, с научной точки зрения представляют интерес, поскольку их достаточно просто культивировать в лабораторных условиях, а строение их нитрогеназ почти идентично строению нитрогеназ ризобий (Bothe et al., 2007).

Наиболее известными представителями аэробных азотфиксаторов являются виды рода Azotobacter. Среди представителей аэробных фототрофных диазотрофов встречаются цианобактерии (Anabaena, Nostoc), факультативно-анаэробные фототрофные бактерии (Rhodospirillum). Хемолитоавтотрофы (Thiobacillus) так же относятся к аэробным азотфиксаторам (Bothe et al., 2007; 2010).

Среди анаэробных диазотрофов встречаются гетеротрофы (Clostridium), сульфатредукторы (Desulfovibrio) и метаногенные археи (Methanococcus) (Riederer-Henderson et al., 1970; Kessler et al., 1997; Leigh, 2000; Kessler et al., 2001; Bothe et al., 2007; Bothe et al., 2010).

Гетеротрофные микроаэрофилы Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, Bacillus также являются диазотрофами (Abdel Wahab, 1975; Line, 1990; Schmitz et al., 2002; Ding at al, 2005). В виде немногочисленных популяций встречаясь в почвах лесов Тасмании, Enterobacter agglomerans и Citrobacter freundii могут колонизировать ткани древесного растения Atherosperma moschatum, но только в ассоциации с представителями родов Penicillum, Alternaria, Cladosporium, Gliomastix (Line, 1990). В настоящее время в природе нет известных диазотрофных штаммов Escherichia mli, хотя генетически-модифицированные были созданы (Bothe et al, 2007).

Местообитания различных групп свободноживущих диазотрофов отличаются друг от друга. Некоторые живут в водных системах, другие предпочитают почву, в то время как третьи обнаружены в пищеварительном тракте животных. Условия обитания также изменяются от группы к группе. Некоторые азотфиксаторы обитают в аэробных условиях, некоторые - только в анаэробных, существуют и такие, которые могут переключаться с аэробных условий на бескислородные. Источники углерода могут быть разнообразными. Некоторые виды могут усваивать углерод в автотрофных реакциях, а другие нуждаются в источнике органического углерода (ВоШе е1 а1., 2010).

Влияние факторов среды на развитие азотфиксаторов

Как и другие почвенные микроорганизмы, диазотрофы подвергаются ограничивающим воздействиям различных факторов физической, химической и биологической природы. Содержание влаги, рН, почвенный азот (влияет на синтез нитрогеназы и ее активность), температура и конкуренция с другими микроорганизмами (особенно за доступные источники энергии) влияют на жизнедеятельность диазотрофов и их способность фиксировать азот. Большинство свободноживущих азотфиксаторов - мезофиллы: при температуре 37° - 40° С заметно снижается их способность фиксировать азот. Заслуживает внимания то, что среди диазотрофов присутствуют термофильные микроорганизмы, например, Methanococcus thermolithotrophicus - метаноген, который осуществляет фиксацию азота при температуре 64°С (НиЬег е1 а1., 1982), Mastigocladus -цианобактерия, обитающая в горячих источниках, может фиксировать азот при 60°С (КИитапШет, 2007), и Streptomyces thermoautotrophicus -актиномицет, выделенный из углежоговой ямы, фиксацию азота осуществляет при 65 °С (ШЬЬе е1 а1., 1997; Нойшап-ЕтёеЫее е1 а1., 2000; /иЬегег, 2002).

Поскольку кислород повреждает нитрогеназу, диазотрофы, осуществляющие фиксацию азота в аэробных условиях, выработали различные стратегии защиты от кислорода (Zuberer, 2002).

Избегание - анаэробы и факультативные анаэробы осуществляют процесс фиксации азота при низком парциальном давлении кислорода. Кислород является одним из факторов, регулирующих синтез нитрогеназы этих бактерий. Однако Klebsiella pneumonia может фиксировать азот в микроаэробных условиях, защищая нитрогеназу с помощью «коллективного» дыхания, при котором концентрация кислорода существенно снижается внутри колоний, а парциальное давление углекислого газа увеличивается (Zuberer, 2002).

Образование специализированных клеток. У цианобактерий проблема защиты от кислорода осложняется тем, что они сами являются фотосинтетическими продуцентами этого газа. Многие нитчатые цианобактерии решают эту проблему путем клеточной дифференциации. При аэробных условиях роста их вегетативные клетки осуществляют фотосинтетическую продукцию кислорода, а нитрогеназа работает в специальных клетках - гетероцистах. Гетероцисты дифференцируются из вегетативных клеток в процессе клеточного деления и в результате значительных метаболических изменений. Формирование гетероцист из вегетативных клеток у видов рода Anabaena занимает примерно 24 часа. В процессе клеточной трансформации из вегетативных клеток в гетероцистах синтезируется более 500 различных белков, данный факт свидетельствует о том, что это комплексный процесс, находящийся под контролем множества генов. Фотосистема II редуцирована в гетероцистах, поэтому они не могут осуществлять фотосинтез. Вегетативные клетки обеспечивают фотосинтетическую фиксацию углерода, который может экспортироваться в виде сахарозы в гетероцисты. И наоборот, гетероцисты обеспечивают вегетативные клетки связанным азотом (Bothe et al., 2010).

Временное и пространственное разделение процессов фиксации азота и выделения кислорода. Многие цианобактерии не образуют гетероцист, тем не менее, осуществляют азотфиксацию за счет разделения двух несовместимых процессов. Фотосинтез осуществляется в светлое время суток, а фиксация азота - в темноте. Таким образом, нитрогеназа не ингибируется продуцируемым кислородом, большая часть которого утилизируется в процессе дыхания, что обеспечивает создание анаэробных условий. Однако не все цианобактерии, не образующие гетероцисты, демонстрируют такой циркадный ритм. Gloeothece и Synechococcus spp. фиксируют азот в течение дня и могут расти при длительном освещении. Обитающая в океане нитчатая цианобактерия Trihodesmium демонстрирует «разделение труда», при котором некоторые клетки осуществляют фотосинтез, а другие - азотфиксацию. Иммунологические исследования показали наличие нитрогеназы в более чем 77 % клеток Trihodesmium. Нитрогеназа также однородно распределена в клетках Plectonema, Gloeothece, что, вероятно, указывает на отсутствие преимущественной ассоциации фермента с клеточной структурой (Bothe et al., 2010).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Эмер Наталья Рудольфовна, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алиев, Ш.А. Биологическая активность серой лесной почвы под влиянием комплексного удобрения на основе цеолитсодержащих пород и стоков животноводческих комплексов / Ш.А. Алиев, Л.М.-Х. Биккинина // Почвоведение в России: вызовы современности, основные направления развития. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием к 85-летию Почвенного института им. В.В. Докучаева. - М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2012. -С. 404-407.

2. Андреюк Е.И., Мальцева Н.Н., Дульгеров А.Н., Иутинская Г.А. Некоторые математические аспекты взаимосвязи между биологической активностью почвы, количеством микроорганизмов и внешними факторами / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 126 - 129. - 184 с.

3. Аристовская Т.В., Багаданвичене З.П., Ефремова Т.Н. Динамика изменений размеров бактериальной биомассы в почвах разных георгафичеких зон / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 23 - 29. - 184 с.

4. Беляев А.Б. Физико-химический анализ почв. Методические указания по определению элементов питания: азота, фосфора, калия в почве. Воронеж, 2000. 20 с.

5. Благодатский С.А. Микробная биомасса и моделирование цикла азота в почве. Дисс. на соиск. уч. ст. д-ра биол. наук. - Пущино, 2012.

6. Валуева Т.А., Ревина Т.А., Гвоздева Е.Л., Герасимова Н.Г., Озерецковская О.Л. Роль ингибиторов протеиназ в защите картофеля // Биоорганическая химия. 2003. Том 29. № 5. С. 499-504.

7. Василенко М.И. Деградация городских почв в условиях урбанизации // Почвоведение в России: вызовы современности, основные направления развития. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием к 85-летию Почвенного института им. В.В. Докучаева. - М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2012. -С. 569-573.

8. Верховцева Н.В.,Ларина Г.Е., Спиридонова Ю.А., Степанов А.Л., Осипов Г.А. Микробные консорциумы почв агроценозов разных природных зон России с учетом их сельскохозяйственного использования // Проблемы агрохимии и экологии. - № 2. - 2008. - С. 37-43.

9. Гантимурова Н.И. Денитрификация в почвах западной Сибири. Новосибирск: Наука. 1984. 118 с.

10. Голодяев Г.П. Численность и биомасса микроорганизмов лугово-бурых оподзоленных почв Приморья / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 88 - 91. - 184 с.

117

11. Гиммельфарб А.А., Гинзбург Л.Р., Полуэктов Р.А., Пых Ю.А., Ратнер В.А. Динамическая теория биологических популяций, под редакцией Р.А. Полуэктова, издательство М: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1974, 456 с.

12. Динамика микробных популяций в открытых системах. Под ред. Н.С. Печуркина. - Красноярск, 1975. - 158 с.

13. Домрачева Л.И. Продукция водорослей в дерново-подзолистой почве, опредеоенная при ежесуточном учете / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 161 - 163. - 184 с.

14. Евдокимова Г.А. Сезонные и кратковременные изменения численности микроорганизмов в ризосфере многолетних злаков в условиях заполярья / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 98 - 103. - 184 с.

15. Егорова С.В., Стефурак В.П. Динамика численности и биомассы бактерий в лесных почвах и влияние на нее влажности, температуры, удобрений / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть II. // Редактор О.

Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 95 - 97. - 184 с.

16. Енкина О.В. Сезонная динамика биологической активности почвы в условиях Кубани / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 71 - 77. - 184 с.

17. Ермак А. А. Трансформация соединений азота в системе «почва -микроорганизмы - растения» в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника: Дисс на соиск уч ст канд биол наук. Москва 2012. 150 с.

18. Задорина Е.В. Оценка разнообразия диазотрофов в торфяной почве методом клонирования гена nifH / Е.В. Задорина, Н.В. Слободова, Е.С. Булыгина, Т.В. Колганова и др. // Микробиология. - 2009. - Том 78, № 2. - С. 252-260.

19. Зинякова Н.Б. Активное органическое вещество в серой лесной почве при органической и минеральной системах удобрения: Дисс на соиск уч ст канд биол наук. Пущино. 2014. 167 с.

20. Зинякова Н.Б., Ходжаева А.К., Тулина А.С., Семенов В.М. Активное органическое вещество в серой лесной почве пахотных и залежных земель // Агрохимия. - 2013. - № 9. - С. 3-14.

21. Ибрагимов Р.И., Ямалеева А.А., Талипов Р.Ф., Кулагин А.А., Ямалов С. М.Физиолого-биохимические механизмы действия экологически безопасных препаратов для растениеводства // Успехи современного естествознания. № 10. 2003. С. 38-39.

22. Иванов Ю.Д. Динамика органического вещества и баланс азота в прифермских севооборотах и под бессменными культурами на дерново-слабоподзолистой почве. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х наук. -Москва, 1969. - 16 с.

23. Ивантер Э.В., Коросов А.В. Элементарная биометрия. -Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2010. - 104 с.

24. Игнатов В.В. Биологическая фиксация азота и азотфиксаторы // Соросовский образовательный журнал.-1998.- № 9.- С. 28-33.

25. Кабаков Р.И. R в действии. Анализ и визуализация данных в программе К - М.: ДМК Пресс, 2014. - 588 с.

26. Клечковский В.М. Агрохимия.- Изд-во: «Колос», 1964.- 528 с.

27. Кожевин П.А. Микробные популяции в природе. - М.: Из-во Моск. ун-та, 1989. - 175 с.

28. Кожевин П.А. Экология почвенных микроорганизмов / Экология микроорганизмов: Учеб. для вузов (под ред. А.И. Нетрусова), 2004. - М., "Академия", 71-94.

29. Кожевина Л.С., Кожевин П.А., Кофф Г.Л. О возможностях микробиологической характеристики почв и грунтов сейсмоопасных территорий для геодинамической и санитарно-эпидемиологической оценки и прогноза. В сб.трудов: Прикладная геоэкология, чрезвычайные ситуации, земельный кадастр и мониторинг (вып. 1), Институт литосферы РАН, Москва, 1995, с.43-46.

30. Коновалова О.Е. Особенности процессов азотфиксации и денитрификации в агроэкосистемах в зоне серых лесных почв. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук. - Москва, 1991. - 21 с.

31. Кураков А.В. Грибы в круговороте азота в почвах: Автореф. дис. на соискание ученой степени доктора биол. наук / Московский государственный университет.-М., 2003.

32. Лакин Г.Ф. Биометрия: Учеб. пособие для биол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.

33. Ласукова Т.П. Динамика азота в орошаемых почвах. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х наук.- Москва, 1955. - 12 с.

34. Мальцев В.Т. Динамика подвижных форм азота в полях севооборота на дерново-карбонатной почве в Иркутской области. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х наук. - Иркутск, 1966. - 26 с.

35. Мамай А.В. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук. - Москва, 2014.

- 153 с.

36. Марченко С.А., Кожевин П.А., Варфоломеев А.Н., Марченко А.И. 24-луночный планшет для микрореспирометрии // Описание полезной модели к патенту № RU 74 479 U1. Опубликовано 27.06.2008, Бюл. № 18.

37. Методы почвенной микробиологии и биохимии. Под ред. Д.Г. Звягинцева. Москва: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.

38. Мишустин Е.Н. Численность и динамика микробного населения почвы / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 6

- 7. - 184 с.

39. Мошкина Е.В. Азотные соединения в почвах северо-запада России и динамика их под влиянием антропогенного воздействия (на примере Карелии). Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х наук. - Санкт-Петербург, 2009. - 22 с.

40. Минеев. В.Г. Практикум по агрохимии / В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, О.А. Амельянчик, и др.- М.: Изд-во МГУ, 2001. - 689 с.

41. Наумов Н.С. Особенности аммонификации и нитрификации в эродированных почвах // «Агрохимия». - № 5 - 1983. - С. 10-14.

42. Паринкина О.М. Соотношение динамики численности и биомассы бактерий с дыханием почвы в зоне тундры / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 104 - 108. - 184 с.

43. Пухова Н.Ю., Верховцева Н.В., Ларина Г.Е. Структура микробного сообщества чернозема выщелоченного в зависимости от антропогенной нагрузки // Проблемы агрохимии и экологии. - № 4. - 2011. - С. 42-47.

44. Рамазанова Ф.М. Интенсивность дыхания почвы как показатель почвообразовательного процесса в аридной зоне Азербайджана // Почвоведение в России: вызовы современности, основные направления развития. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием к 85-летию Почвенного института им. В.В. Докучаева. - М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2012. -С. 16-37.

45. Рахно П., Аксель М, Сирп Л, Рийс Х. Динамика численности почвенных микроорганизмов и соединений азота в почве. - Таллин: «Валгус», 1971. - 208 с.

46. Рахно П.Х. Развитие исследований количественной динамики микроорганизмов в эстонской ССР / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 61 - 67. - 184 с.

47. Рыыс О. Состояние исследований по биодинамике почвы / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 8 - 14. - 184 с.

48. Савостьянова А.С., Семиколенных А.А. Сравнение методов определения микробной биомассы для оценки биологических свойств почвы // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. -Том. 14, № 1(8). - С. 2064-2067.

49. Садыков Г.Ф. Биологическая азотфиксация в агроценозах. - Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1989. - 109 с.

50. Самцевич С.А. Биодинамика окультуренной и неокультуренной почвы / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы

(материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 30 - 34. - 184 с.

51. Сапожников Н.А. Трансформация азота удобрений в дерново-подзолистых почвах / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии наку ЭССР, Таллин, 1974. - С. 51 - 55. - 184 с.

52. Сахно О.Н., Трифонова Т.А. Экология микроорганизмов. Ч. 1.-Владимир: Изд-во Владимирского гос. ун-та, 2007.- 64 с.

53. Стахурлова Л.Д., Свистова И.Д., Щеглов Д.И. Биологическая активность как индикатор плодородия черноземов в различных биоценозах // Почвоведение. - № 6. - 2007. - С. 769-774.

54. Степанов А.Л., Лысак Л.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии: учебно-методическое пособие. Москва: МАКС Пресс, 2002. 88 с.

55. Сэги Й. Методы почвенной микробиологии. - М.: «Колос», 1983. -

296 с.

56. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация. - М.: Изд-во Моск. унта, 1986. - 136 с.

57. Умаров М.М, Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. - М.: ГЕОС, 2007. - 138 с.

58. Федорова Л.В. Годовая динамика численности микроорганизмов в почвах долин юга Сахалина / Институт экспериментальной биологии АН ЭССР Эстонское отделение Всесоюзного микробиологического общества. Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (материалы симпозиума 4-5 сентября 1974 года) Часть I. // Редактор О. Рыыс. Редакционно-издательский совет Академии на ук ЭССР, Таллин, 1974. - С. 78 - 82. - 184 с.

59. Шохова Т.А. Динамика азота фосфора и калия в серой лесной легкосуглинистой почве брянского ополья при разных системах удобрений. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х наук. - Брянск, 2011. - 26 с.

60. Эмер Н.Р., Семенов А.М., Зеленев В.В., Зинякова Н.Б., Костина Н.В., Голиченков М.В. Ежесуточная динамика численности и активности азотфиксирующих бактерий на участках залежной и интенсивно возделываемой почвы // Почвоведение. 2014. № 8. С. 1-9.

61. Abdel Wahab A.M. Nitrogen fixation by Bacillus strains isolated from the rhizosphere of Ammophila arenaria // Plant and soil. - 1975. - Vol. 42, issue 3. - P. 703-708.

62. Acoste-Martinez V., Burow G., Zobeck T.M., Allen V.G. Soil microbial communities and function in alternative systems to continuous cotton // SSSAJ. 2010. Vol. 74, № 4. P. 1181-1192.

63. An D.-S., Im W.-T., Yang H.-C., Lee S.-T. Shinella granuli gen.nov., sp.nov., and proposal of the reclassification of Zoogloea ramigera ATCC 19623 as Shinella zoogloeoides sp.nov. // International journal of systematic and evolutionary microbiology. - 2006. - Vol. 56. - P. 443-448.

64. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil biology and biochemistry. - 1978. - Vol. 10. - P. 215-221.

125

65. Arencibia A.D., Vinagre F., Estever Y., Bernal A., Perez J., Cavalkanti J., Santana I., Hemerly A.S. Gluconacetobacter diazotrophicus elicits a sugarcane defense response against a pathogenic bacteria Xantomonas albilinenas // Plant signaling and behavior. - 2006. - Vol. 1, № 5. - P. 256-273.

66. Banihani Q., Hadadin N., Jamrah A. Start-up of anaerobic ammonium oxidation (anammox) from conventional return activated sludge in up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor for autotrophic nitrogen removal from wastewater // Jordan journal of civil engineering.- 2012.- Vol. 6, № 1.- P. 17-27.

67. Bannert A., Kleineidam K., Wissing L., Mueller-Niggemann C., Vogelsang V., Welzl G., Cao Z., Schloter M. Changes in diversity and functional gene abundances of microbial communities involved in nitrogen fixation, nitrification, and denitrification in a tidal wetland versus paddy soils cultivated for different time periods // Applied and Environmental Microbiology. 2011. Vol. 77, № 17. P. 6109-6116.

68. Bardgett R.D., McAlister E. The measurement of soil fungal:bacterial as an indicator of ecosystem self-regulation in temperate meadow grasslands // Biol Fertil Soils. - 1999. - Vol. 29. - P. 282-290.

69. Barrious E. Soil biota, ecosystem services and land productivity // Ecological Economics. 2007. Vol.64. P. 269-285.

70. Biggs, B. J. F., Tuchman, N. C., Lowe, R. L. and Stevenson, R. J. Resource stress alters hydrological disturbance effects in a stream periphyton community // Oikos. - 1999. - Vol. 85. - P. 95-108.

71. Bothe H., Ferguson S.J., Newton W.E. Biology of the nitrogen cycle. -Elsevier, 2007. - 453 p.

72. Bothe H. Nitrogen fixation and hydrogen metabolism in Cyanobacteria / H. Bothe, O. Shmitz, M.G. Yates, W.E. Newton // Microbiology and molecular biology reviews.- 2010.- Vol. 74, № 4.- P. 529-551.

73. Broda E. Two kinds of lithotrops missing in nature // Zeitschrift fur allgemeine Microbiologie. - 1977. - Vol. 17, № 6. - P. 491-493.

74. Cabello P., Roldan M. D., Moreno-Vivian C. Nitrate reduction and the nitrogen cycle in archaea // Microbiology.- 2004.- Vol. 150, № 11.- P. 3527-3546.

75. Case R.J. Use of 16S rRNA and rpoB genes as molecular markers for microbial ecology studies / R.J. Case, Y. Boucher, I. Dahllof, C. Holmstrom et al. // Applied and environmental microbiology. - 2007. - Vol. 73, № 1. - P. 278-288.

76. Castignetti D., Hollocher T.C. Heterotrophic nitrification among denitrifiers // Applied and environmental microbiology.- 1984.- Vol. 47, № 4.- P. 620-623.

77. Cheneby D., Bru D., Pascault N., Maron P. A., Ranjard L., Philippot1 L. Role of plant residues in determining temporal patterns of the activity, size, and structure of nitrate reducer communities in soil // Applied and Environmental Microbiology. 2010. Vol. 76, № 21. P. 7136-7143.

78. Desai M.S., Assig K., Dattagupta S. Nitrogen fixation in distinct microbial niches within a chemoautotrophy-driven cave ecosystem // The international society for microbial ecology journal. - 2013. - № 7. - P. 2411-2423.

79. Ding Y, Wang J, Liu Y, Chen S. Isolation and identification of nitrogen-fixing bacilli from plant rhizospheres in Beijing region // Journal of applied microbiology. - 2005. Vol. 99, № 5. - P. 1271-1281.

80. Dollhopf S.L. Quantification of ammonia-oxidizing bacteria and factors controlling nitrification in salt marsh sediments / S.L. Dollhopf, Jung-Ho Hyun,

A.C. Smith, H.J. Adams // Applied and environmental microbiology.- 2005.- Vol. 71, № 1.- P. 240-246.

81. Doran J.W., Zeiss M.R. Soil health and sustainability: managing the biotic component of soil quality // Applied soil ecology. - 2000. -Vol. 15. - Р. 311.

82. Eskin N., Vessey K., Tian Research progress and perspectives of nitrogen fixing bacterium, Gluconacetobacter diazotrophicus in monocot plants // International journal of agronomy. - 2014. - Vol. 2014. - P. 1-13.

83. Fay P. Oxygen relation of nitrogen fixation in Cyanobacteria // Microbiological reviews.- 1992.- Vol. 56, № 2.- P. 340-373.

84. Fisher H.-M. Genetic regulation of nitrogen fixation in Rhizobia // Microbiological reviews.- 1994.- Vol. 58, № 3.- P. 352-386.

85. Freya S.D., Knorra M., Parrentb J.L., Simpsona R.T. Chronic nitrogen enrichment affects the structure and function of the soil microbial community in temperate hardwood and pine forests // Forest Ecology and Management. - 2004. -Vol. 196. - P. 159-171.

86. Giraud E., Fleischman D. Nitrogen-fixing symbiosis between photosynthetic bacteria and legumes // Photosynthesis Research. - 2004. - Vol. 82. - P. 115-130.

87. Graham P., Vance C. Nitrogen fixation in soils (symbiotic) // Encyclopedia of environmental microbiology / G. Bitton.- Canada, 2002.- P. 22012211.

88. Green S.J. A guide to denaturating gel electrophoresis (Version 2) (Электронный ресурс): Stefangreen.com.- 2005, Nov 28. - Режим доступа: www.stefangreen.com.

89. Green S.J., Leigh M.B., Neufeld J.D. Denaturating gradient gel electrophoresis (DGGE) for microbial commynity analysis // Mycrobiology of hydrocarbons, oils, lipids, and derived compounds / Timmis K.N. (Ed). -Heidelberg, Germany: Springer. - 2009. - P. 4137-4158.

90. Griffiths B. S., Ritz K., Bardgett R. D., Cook R., Christensen S, Ekelund F., Sorensen S. J., Baath E., Bloem J., de Ruiter P. C., Dolfing J., Nicolardot B. Ecosystem response of pasture soil communities to fumigation-induced microbial diversity reductions: an examination of the biodiversity-ecosystem function relationship // Oikos. - 2000. - Vol. 90. - P. 279-294.

91. Griffiths B.S., Bonkowski M., Roy J., Ritz K. Functional stability, substrate utilisation and biological indicators of soils following environmental impacts // Applied soil ecology. - 2001. - Vol. 16. - P. 49-61.

92. Henderson S.N. Changes in denitrifier abundance, denitrification gene mRNA levels, nitrous oxide emission, and denitrification in anoxic soil microcosms amended with glucose and plant residues / S.N. Henderson, C.E. Dandie, C.L. Patten (et. al.) // Applied and environmental microbiology.- 2010.-Vol. 76, № 7.- P. 2155-2164.

93. Herbert D.A., Fownes J.H., Vitousek P.M. Hurricane damage to a hawaiian forest: nutrient supply rate affects resistance and resilience // Ecology. -

1999. - Vol. 80, № 3. - P. 908-920.

94. Hofman G., Cleemput O.V. Soil and plant nitrogen.- Paris: IFA, 2004.49 p.

95. Hofmann-Findeklee C., Gadkari D., Meyer O. Superoxide-dependent nitrogen fixation // Current Plant Science and Biotechnology in Agriculture. -

2000. - Volume 38. - P. 23-30.

96. Huber H., Thomm M., König H., Thies G., Ostetter K. Methanococcus thermolithotrophicus, a novel thermophilic lithotrophic methanogen // Archives of microbiology. - 1982. - Vol. 132. - P. 47-50.

97. Kathiravan R., Jegan S., Ganga V., Prabavathy V.R., Tushar L., Sasikala Ch., Ramana Ch.V. Cicerobacter lividus gen.nov., sp.nov., isolated from rhizosphere soil of chick pea (Cicer avietinum L.) // International journal of systematic and evolutionary microbiology. - 2013. - Vol. 63 (12). - P. 4484-4488.

98. Kaufman L.H. Stream aufwuchs accumulation: disturbance frequency and stress resistance and resilience // Oecologia. - 1982. - Vol. 52. - P. 57-63.

99. Kessler P.S., McLarnan J., Leigh J.A. Nitrogenase phylogeny and the molybdenum dependence of nitrogen fixation in Methanococcus maripaludis // Journal of Bacteriology. - 1997. - Vol. 179, № 2. - P. 541-543.

100. Kessler P.S., Daniel C., Leigh J.A. Ammonia switch-off of nitrogen fixation in the methanogenic archaeon Methanococcus maripaludis: mechanistic features and requirement for the novel GlnB homologues, Nifl (1) and Nifl (2) // Journal of Bacteriology. - 2001. - Vol. 183, № 3. - P. 882-889.

101. Khumanthem N., Syiem M.B., Singh A.K., Rai A.N. Isolation and characterization of a Mastigocladus species capable of growth, N2 -fixation and N-assimilation at elevated temperature // Indian Journal of Microbiology. - 2007. -Vol. 47. - P. 345-352.

102. Lavelle P., Spain A.V. Soil ecology. - Dodrecht: Kluwer Academic Publisher, 2001. - 653 p.

103. Leigh J.A. Nitrogen fixation in methanogens: the archaeal perspective // Current Issues in Molecular Biology. - 2000. - Vol. 2, № 4. - P. 125-131.

104. Leff J.W., Jones S.E., Prober S.M., Barberan A., et al. Consistent responses of soil microbial communities to elevated nutrient inputs in grasslands across the globe // PNAS. - 2015. - Vol. 112, № 35. - P. 10967-10972.

105. Line M.A. Identification of nitrogen-fixing enterobacteria from living Sassafras (Atherosperma moschatum Labill.) trees // Plant and Soil. -1990. - Vol. 125, issue 1. - P. 149-152.

106. Liu X., Zhang J., Gu T., Zhang W., Shen Q., Yin S. Microbial community diversities and taxa abundances in soils along a seven-year gradient of potato monoculture using high throughput pyrosequensing approach (Электронный ресурс): PLOS One. 2014. Vol. 9, issue 1. P. 1-10. Режим доступа: www.plosone.org

107. MacGillivray C. W., Grime J. P. Band, S.R., Booth R.E., Campbell B., Hendry G.A.F., Hillier S.H., Hodgson J.G., Hunt R., Jalili A., Mackey J.M.L., Mowforth M.A., Neal A.M., Reader R., Rorison I.H., Spencer R.E., Thompson K., Thorpe P.C. Testing predictions of the resistance and resilience of vegetation subjected to extreme events // Functional Ecology. - 1995. - Vol. 9. - P. 640-649.

108. Masson-Boivin C. Establishing nitrogen-fixing symbiosis with legumes: how many rhizobium resipes / C. Masson-Boivin, E. Giraud, X. Perret, J. Batut // Trends in Microbiology.- 2009.- Vol. 17, № 10.- P. 458-466.

109. Milton N. Bacteria transform ammonium to nitrate in soil (Электронный ресурс): Soils are alive newsletter.- 2001.- Vol. 2, № 1.- Режим доступа: www. soilhealth. see. uwa. edu. au

110. Monkiedje A., Spitelle M., Fotio D., Sukul P. The effect on land use on soil health indicators in peri-urban agriculture in the humid forest zone of southern Cameroon // Journal of environmental quality. - 2006. - Vol. 35. - P. 2402-2409.

111. Moscatelli M.C., Di Tizio A., Marinari S., Grego S. Microbial indicators related to soil carbon in Mediterranean land use systems // Soil and tillage research. 2007. Vol. 97. P. 51-59.

112. Mousavi S.A., Osterman J., Wahlberg N., Nesme X., Lavire C., Vial L., Paulin L., de Lajudi P., Lindstrom K. Phylogeny of the Rhizobium - Allorhizobium - Agrobacterium clade supports the delineation of Neorhizobium gen.nov. // Systematic and Applied Microbiology. - 2014. - Vol. 37. - Issue 3. - P. 208-215.

113. Mousavi S.A., Willems A., Nesme X., de Lajudi P., Lindstrom K. Revised phylogeny of Rhizobiaceae: proposal of the delineation of Pararhizobium gen.nov., and 13 new species combinations // Systematic and Applied Microbiology. - 2015. - Vol. 38. - Issue 2. - P. 84-90.

114. Myrold D.D. Soil nitrogen cycle // Encyclopedia of environmental microbiology / G. Bitton.- Canada, 2002.- P. 2936-2944.

115. Odum E.P. The stategy of ecosystem development // Science. 1969. Vol. 164. P. 262-270.

116. Orr C.H., James A., Leifert C. et al. Diversity and activity of free-living nitrogen-fixing bacteria and total bacteria in organic and conventionally managed soils // Applied and Environmental Microbiology.- 2011.- Vol. 77, № 3.- P. 911919.

117. Orwin K.H., Wardle D.A. New indices for quantifying the resistance and resilience of soil biota to exogenous disturbances // Soil Biology and Biochemistry. - 2004. - Vol. 36. - P. 1907-1912.

118. Paul E.A. (edit) Soil microbiology, ecology and biochemistry in perspective. Third edition. - Burlington, 2007. - Academic press, Elsevier. - 514 p.

119. Peralta A.L., Matthews J.W., Kent A.D. Microbial community structure and denitrification in a wetland mitigation bank // Applied and Environmental Microbiology. 2010. Vol. 76, № 13. P. 4207-4215.

120. Pereira e Silva M.C., Poly F., Guillaumaud N., Dirk van Elsas J., Falcao Salles J. Fluctuations in ammonia oxidizing communities across agricultural soils are driven by soil structure and pH // Frontiers in Microbiology.-2012.- Vol. 3, article 77.- P. 1-22.

121. Prell J., Pool P. Metabolic changes of rhizobia in legume nodules // Trends in Microbiology.- 2006. Vol. 14, № 4.- P. 161-168.

122. Rajeswari K., Kasthuri G. Molecular characterization of Azotobacter spp. nifH gen isolated from marine source // African Journal of Biotechnology.-2009.- Vol. 8 (24).- P. 6850-68.

123. Spaink H.P., Kondorosi A., Hooykaas P.J.J. The Rhizobiazeae molecular biology of model plant- associated bacteria // Kluwer Academic Publisher, 1998. - 567 p.

124. Ribbe M., Gadkari D., Meyer O. N2 fixation by Streptomyces thermoautotrophicus involves a molybdenum-dinitrogenase and a manganese-superoxide oxidoreductase that couple N2 reduction to the oxidation of superoxide produced from O2 by a molybdenum-CO dehydrogenase // The Journal of Biological Chemistry. - 1997. - Vol. 272, № 42. - P. 26627-26633.

125. Riederer-Henderson M.-A., Wilson P.W. Nitrogen fixation by sulphate-reducing bacteria // Journal of General Microbiology. - 1970. - № 6. - P. 27-31.

126. Schimel J.P., Firestone M.K., Killham K.S. Identification of heterotrophic nitrification in a Sierran forest soil // Applied and Environmental Microbiology.- 1984.- Vol. 48, № 4.- P. 802-806.

127. Schmidt I., Strous M., Jetten M.M.S. Activated sludge - microbiology of nitrogen removal // Encyclopedia of Environmental Microbiology / G. Bitton.-Canada, 2002.- P. 8-14.

128. Schnurer J., Rosswall T. Fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of totalnmicrobial activity in soil and litter // Applied and Environmental Microbiology. - 1982. - Vol. 43, № 6. - P. 1256-1261.

129. Shaw L.J., Nicol G.W., Smith Z., Fear J., Prosser J.I., Baggs E.M. Nitrospira spp can produce nitrous oxide via a nitrifier denitrification pathway // Environmental Microbiology. - 2006. - Vol. 8, № 2. - P. 214-222.

130. Smitz R.A., Klopproge K., Grabbe R. Regulation of nitrogen fixation in Klebsiella pneumoniae and Azotobacter vinelandii: NifL, transducing two environmental signals to the nif transcriptional activator NifA // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. - 2002. - Vol. 4, № 3. - P. 235-242.

131. Sousa W.P. The responses of a community to disturbance: the importance of successional age and species' life histories // Oecologia. - 1980. -Vol. 45. - P. 72-81.

132. Strous M., Kuenen J.G., Jetten M.S.M. Key physiology of anaerobic ammonium oxidation // Applied and Environmental Microbiology. - 1999.- Vol. 65, № 7.- P. 3248-3250.

133. Sun H. Y., Deng S. P., Raun W. R. Bacterial community structure and diversity in a century-old manure-treated agroecosystem // Applied and Environmental Microbiology.- 2004.- Vol. 70, № 10.- P. 5868-5874.

134. Tian G., Pauls P., Dong Z., Reid L.M., Tian L. Colonisation of the nitrogen bacterium Gluconacetobacter diazotrophicus in a large number of Canadian corn plants // Canadian Journal of Plant Sciense. - 2009. - Vol. 89, № 6. - P. 1009-1016.

135. Vancleemput O. Subsoils - chemodenitrification and biological denitrification, N2O and N2 emissions // Nutrient Cycling in Agroecosystems. -1998. - Vol. 52, issue 2-3. - P. 187-194.

136. Wardle D. A., Bonner K. I., Barker G. M. Stability of ecosystem properties in response to above-ground functional group richness and composition // Oikos. - 2000. - Vol. 89. - P. 11-23.

137. West A.W., Sparling G.P. Modifications to the substrate-induced respiration method to permit measurement of microbial biomass in soils of differing water contents // Journal of Microbiological Methods. - 1986. - Vol. 5. -P. 177-189.

138. Yanagita T. Natural microbial communities. Ecological and physiological features. - Tokyo: Japan Press, 1990. - 485 с.

139. Yeates C., Gillings M.R., Davison A.D.., Altavilla N., Veal D.A. Methods for microbial DNA extraction from soil for PCR amplification (Электронный ресурс): Biological Procedures Online. - 1998. - Vol. 1, № 1. - P. 40-47. - Режим доступа: www.biologicalprocedures.com

140. Yoshinari T., Hynes R., Knowles R. Acetylene inhibition of nitrous oxide reduction and measurement of denitrification and nitrogen fixation in soil // Soil Biology and Biochemistry.- 1977.- Vol. 9.- P. 177-184.

141. Zahran H. H. Rhizobium-legume symbiosis and nitrogen fixation under severe conditions and in an arid climate // Microbiology and Molecular Biology Reviews.- 1999.- Vol. 63, № 4.- P. 968-989.

142. Zehr J.P., Jenkins B.D., Short S.M., Steward G.F. Nitrogenase gene diversiry and microbial community structure: a cross-system comparison // Environmental Microbiology.- 2003.- Vol. 5, № 7.- P. 539-554.

143. Zuberer D.A. Nitrogen fixation in soils - free-living microbes // Encyclopedia of Environmental Microbiology / G. Bitton.- Canada, 2002.- P. 2188-2201.

144. Zwolinski M.D. DNA sequencing: strategies for soil microbiology // Soil Science Society of America Journal. - 2007. - Vol. 71, № 2. - P. 592-600.